[논문 리뷰] Interfacial amplification for graphene based position-sensitive-detectors

Wenhui Wang, Ruxia Du외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리카/실리콘 인터페이스에서 그래핀의 초고이동도 및 장수명 운반자 수명을 활용하여 신호 증폭 메커니즘을 갖춘 그래핀 기반의 위치 감지 검출기(PSD)를 제시한다. 이로 인해 약 10^4의 신호 증폭을 달성하였으며, 이는 공간 해상도나 응답 속도를 희생시키지 않은 채 nW 수준의 신호를 감지할 수 있도록 하여 기존 실리콘 기반 기술과 호환되는 고감도 약한 빛 감지 기술을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Position-sensitive-detectors (PSDs) based on lateral photoeffect has been widely used in diverse applications, including optical engineering, aerospace and military fields. With increasing demand in long distance, low energy consumption, and weak signal sensing systems, the poor responsivity of conventional PSDs has become a bottleneck limiting its applications. Herein, we present a high performance graphene based PSDs with revolutionary interfacial amplification mechanism. Signal amplification in the order of ~10^4 has been demonstrated by utilizing the ultrahigh mobility of graphene and long lifetime of photo-induced carriers at the interface of SiO2/Si. This would improve the detection limit of Si-based PSDs from uW to nW level, without sacrificing the spatial resolution and response speed. Such interfacial amplification mechanism is compatible with current Si technology and can be easily extended to other sensing systems.

연구 동기 및 목표

• 낮은 조도 및 장거리 응용 분야에서의 활용을 제한하는 기존 실리콘 기반 위치 감지 검출기(PSD)의 열악한 반응도 문제를 해결하기 위함.
• 공간 해상도나 응답 속도를 희생시키지 않고 nW 수준의 약한 광신호를 감지할 수 있는 고감도 PSD 개발을 위함.
• 실리카/실리콘 인터페이스에서의 그래핀 고유의 전자적 특성을 활용하여 확장 가능한 실리콘 호환 아키텍처에서 신호 증폭을 실현하기 위함.
• 그래핀 기반 PSD에서 광전류 생성을 향상시키는 새로운 인터페이스 증폭 메커니즘을 실험적으로 구현하기 위함.

제안 방법

• 고이동도 에pitaxial 그래핀을 4H-SiC 기반재에 성장시켜 효율적인 전하 운반을 가능하게 함.
• 그래핀을 실리카/실리콘 이종구조와 통합하여 장수명 광흡수 운반자들이 존재하는 인터페이스 영역을 형성함.
• 그래핀 기반의 p-n 접합 구조에서 횡방향 광전효과를 활용하여 위치에 따라 변화하는 광전류를 생성함.
• 그래핀/실리카/실리콘 인터페이스에서 슈트키 장벽을 설계하여 운반자 수확을 향상시키고 재결합을 감소시킴.
• 운반자 농도를 조절하고 증폭 이득을 최적화하기 위해 双-게이트 구조를 적용함.
• 위치에 따라 변화하는 광조명 조건에서 광전류 응답을 측정하여 위치 감지성과 증폭 특성을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀/실리카/실리콘 이종구조에서의 인터페이스 공학이 위치 감지 검출기의 광전류를 현저하게 증폭시킬 수 있는가?
• RQ2 그래핀의 고운반자 이동도 및 장수명 운반자 수명 특성을 활용할 경우 실리콘 기반 PSD의 반응도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 제안된 인터페이스 증폭 메커니즘은 감도 향상과 함께 공간 해상도와 응답 속도를 유지하는가?
• RQ4 이 증폭 메커니즘은 기존의 보완형 산화막-금속 반도체(CMOS) 및 실리콘 기반 제조 공정과 호환되는가?

주요 결과

• 실험적으로 그래핀 기반 PSD에서 약 10^4의 신호 증폭 요인이 입증되었으며, 이는 반응도를 크게 향상시켰다.
• 감지 한계는 마이크로와트(μW) 수준에서 나노와트(nW) 수준으로 향상되어 초약한 신호 감지가 가능해졌다.
• 장치는 고공간 해상도와 빠른 응답 속도를 유지하였으며, 이는 실시간 광학 위치 감지에 필수적인 요소였다.
• 인터페이스 증폭 효과는 실리카/실리콘 인터페이스에서 장수명 광운반자에 기인하였으며, 이들은 고이동도 덕분에 그래핀에 효율적으로 수확되었다.
• 이 메커니즘은 표준 실리콘 기술과 완전히 호환되어 존재하는 광전자 및 전자 시스템에 원활하게 통합될 수 있었다.
• 이중 게이트 구조는 조절 가능한 증폭을 가능하게 하여 설계의 제어 가능성과 확장 가능성을 입증하였다.